滚珠丝杠副的选择方法

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2部,*,滚珠丝杠副的选择方法,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。,当允许有间隙存在时,(,如垂直运动,),可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；,当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；,当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。,9/17/2024,1,2部,滚珠丝杠副结构尺寸的选择,主要选择丝杠的公称直径,d,0,和公称导程,P,h,。,公称直径,d,0,应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择；,螺纹长度,l,1,在允许的情况下要尽量短，一般取,l,1,/d,0,小于,30,为宜；,基本导程,P,h,(,或螺距,t,),应按承载能力、传动精度及传动速度选取，,P,h,大,承载能力也大,;,P,h,小,传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。,9/17/2024,2,2部,滚珠丝杠副的选择步骤,实际的工作条件：,最大的工作载荷,F,max,(,或平均工作载荷,F,m,),作用下的使用寿命,T,(h),、,丝杠的工作长度,(,或螺母的有效行程,),(mm),、,丝杠的转速,n,(,或平均转速,n,cp,)(r,min),、,滚道的硬度,HRC,及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。,9/17/2024,3,2部,9/17/2024,4,2部,F,F,承载能力计算也可用下式表达,：,9/17/2024,5,2部,压杆稳定性核算,F,F,F,F,9/17/2024,6,2部,刚度的验算,滚珠丝杠在轴向力的作用下，特产生伸长或缩短，在扭矩的作用下,将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。,F,9/17/2024,7,2部,9/17/2024,8,2部,9/17/2024,9,2部,9/17/2024,10,2部,9/17/2024,11,2部,9/17/2024,12,2部,9/17/2024,13,2部,滚珠丝杠表,9/17/2024,14,2部,2.2.4,齿轮传动部件,外齿轮啮合,作用：,1,降速,:,将伺服电机的高速，小转矩输出变成克服负载所需的低速、大转矩。,2,使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在传动系统中所占比重减少，以保证传动精度。,内齿轮啮合,齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器,9/17/2024,15,2部,2.1.4,齿轮传动部件,机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：,定轴传动轮系,、,行星齿轮传动轮系,、,谐波齿轮传动轮,。,1,）定轴轮系传动,齿轮传动 齿轮齿条传动,9/17/2024,16,2部,齿轮传动比,i,应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器是力矩变换器，其输入电动机为高转速、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。,进给系统,传动比,i:,i=n,1,/n,2,=z,2,/z,1,齿轮传动,9/17/2024,17,2部,2.2.4,齿轮传动副,齿轮总传动比的设计原则,:,工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方根力矩最小；,使电机驱动负载的加速度最大,三种方法计算。,机电一体化系统的传动装置在满足伺服电机与负载的力矩匹配的同时，应具有较高的响应速度，即启动和制动速度。因此，在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。,9/17/2024,18,2部,电机、传动装置和负载的传动模型,J,m,电动机,M,的转子的转动惯量；,m,电动机,M,的角位移；,J,L,负载,L,的转动惯量；,L,负载,L,的角位移；,T,LF,摩擦阻抗转矩；,i,齿轮系,G,的总传动比。,9/17/2024,19,2部,根据传动关系有,式中,:,电动机的角位移、角速度、角加速度；,负载的,角位移、角速度、角加速度。,9/17/2024,20,2部,T,LF,换算到电动机轴上的阻抗转矩为,T,LF,/,i,；,J,L,换算到电动机轴上的转动惯量为,J,L,/,i,2,。 设,T,m,为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩,T,a,为,(2-2),9/17/2024,21,2部,式,(2-2),中若改变总传动比,i,则 也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令,则解得,若不计摩擦,即,T,LF,0,则,(2-3),9/17/2024,22,2部,表明：,齿轮系传动比的最佳值就是，,J,L,换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。,假定主动齿轮由步进电机驱动，其步距角为,，脉冲当量,，丝杠导程,l,0,，则传动比为,i=,l,0,/(360),2.2.4,齿轮传动副,9/17/2024,23,2部,2.2.3,传动链的级数和各级传动比的分配,在机电一体化传动系统中，为了既满足总传动比的要求，又使结构紧凑，常采用多级齿轮副或蜗轮蜗杆等其他传动机构组成传动链。下面以齿轮传动链为例，介绍级数和各级传动比的分配原则，这些原则对其他形式的传动链也有指导意义。,9/17/2024,24,2部,1.,等效转动惯量最小原则,(,各传动轴转动惯量等效到电机轴上的等效转动惯量最小即机械传动部分响应特性最佳原则,),齿轮系传递的功率不同，其传动比的分配也有所不同。,1),小功率传动装置由于功率小，假定各主动轮具有相同的转动惯量,J1,，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱齿轮，且齿宽,b,和材料均相同，效率不计， 则有,式中：,i,1,、,i,2 ,齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比； ,i,齿轮系总传动比，,i,=,i,1,i,2,。,9/17/2024,25,2部,对于,n,级齿轮系分析可得：,9/17/2024,26,2部,例,2-1,设有,i,=80,，传动级数,n,= 4,的小功率传动，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。,解,验算,I,=,i,1,i,2,i,3,i,480,。,9/17/2024,27,2部,2),大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。这时，小功率传动的假定不适用，传动比分配的基本原则仍应为,“,前小后大,”,。,9/17/2024,28,2部,2,）质量最小原则,（,特别是用于航空、航天的传动装置,）,小功率传动装置各级传动比,（等传动比分配，等模数原则）,大功率传动装置 各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。,（不等传动比分配，不等模数原则）,9/17/2024,29,2部,从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列,则总转角误差较小,而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数,并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。,四级传动比分别为,i1,、,i2,、,i3,、,i4,；齿轮,1 8,的转角误差依次为,18,，该传动链输出轴的总转角误差,为：,3,）,输出转角误差最小原则,9/17/2024,30,2部,(4),对于很大的传动比，可采用新型的“谐波齿轮传动”。,三种原则的选择,在设计齿轮传动装置时，上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。,(1),对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。若为增速传动，则应在开始几级就增速。,(2),对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。 ,(3),对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计,。,9/17/2024,31,2部,3,谐波齿轮传动,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大,(,几十,几百,),、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中得到广泛的应用。,20,世纪,50,年代中期为适应航空技术需要而发展起来的一种新型传动，它是一种依靠弹性变形运动来实现的传动，突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，而是采用柔性构件机构来实现机械传动。,9/17/2024,32,2部,谐波齿轮传动的工作原理,依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。,由波形发生器,3(,H,),和刚轮,1,、柔轮,2,组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形，齿距相同而齿数不同，刚轮的齿数比柔轮的齿数多几个齿。柔轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。,9/17/2024,33,2部,谐波齿轮传动的工作原理,依靠柔性齿轮产生的可控,变形波引起齿间的相对错,齿来传递动力和运动的。,椭圆长轴的两端柔轮,与刚轮的牙齿相啮合，,在短轴方向的牙齿完,全分离。当波形发生,器逆时针转一圈时，,两轮相对位移为二个齿,距。当刚轮固定时，,则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反,。,9/17/2024,34,2部,谐波齿轮传动过程,波发生器有二个触头的即双波发生器，其刚轮和柔轮的齿数之差为,2,。其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为二个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。,9/17/2024,35,2部,谐波齿轮传动的工作原理,9/17/2024,36,2部,9/17/2024,37,2部,谐波齿轮传动的传动比的计算,9/17/2024,38,2部,设计者也可根据需要单独购买不同减速比、不同输出转矩的谐波减速器中的三大构件并根据其安装尺寸与系统的机械构件相联结。,谐波齿轮减速器的产品,9/17/2024,39,2部,谐波减速器中的三大件,波发生器,刚性轮,柔性轮,9/17/2024,40,2部,3,）,谐波齿轮传动,工作原理,主要组成元件,工作过程,实用产品,9/17/2024,41,2部,4,齿轮传动间隙的调整方法,偏心套（轴）调整法,轴向垫片调整法,双片薄齿轮错齿调整法,圆柱齿轮传动,9/17/2024,42,2部,2,3,导向支承部件的选择与设计,2,3,1,导轨副的组成、种类及其应满足的要求,导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。,接触面的摩擦性质,9/17/2024,43,2部,常用导轨结构形式,开式导轨：借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触闭式导轨：只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触,9/17/2024,44,2部,常用导轨性能比较,9/17/2024,45,2部,导轨副应满足的基本要求,基本要求是,导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。,1,、导向精度,-,指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。,导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；导轨的配合间隙，油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的刚度和热变形等。,9/17/2024,46,2部,直线运动导轨的几何精度,9/17/2024,47,2部,2,刚 度,刚度,-,抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。,在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏。导轨变形一般有自身、局部和接触三种变形。,导轨局部变形发生在载荷集中的地方，因此，必须加强导轨的局部刚度。,9/17/2024,48,2部,3,精度的保持性,主要由导轨的耐磨性决定。,导轨的耐磨性,-,导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。,导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等；,提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护（采用独立的润滑系统自动润滑,-,多层金属薄板伸缩式防护罩）。,9/17/2024,49,2部,4,较好的,运动的灵活性和低速运动的平稳性,工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。,5,对温度的敏感性和结构工艺性,导轨的材料和 配合间隙,结构简单，制造容易，装拆、调整、维修方便，从而最大限度的降低成本。,9/17/2024,50,2部,导轨副的设计内容,9/17/2024,51,2部,滑动导轨副的截面形状及其特点,三角形、矩形、燕尾形及圆形等四种。,凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。宜在低速下工作；,凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。,9/17/2024,52,2部,在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。,截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为,90,o,。,为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角,(110,o,l20,o,),；,为提高导向性，可采用较小的顶角,(60,o,),。,如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。,导轨水平与垂直方向误差相互影响，给制造、检验和修理带来困难。,9/17/2024,53,2部,结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，故应用广泛。,导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置，但水平和垂直方向上的位置各不相关，即一方向上的调整不会影响到另一方向的位移，因此安装调整均较方便。,在导轨的材料、载荷、宽度相同情况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。,9/17/2024,54,2部,两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调节水平与垂直方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩。但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。,用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。,9/17/2024,55,2部,制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。,有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩，亦可采用双圆柱导轨。,圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。,9/17/2024,56,2部,各种导轨的特点,三角形导轨,在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。,矩形导轨,的导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置。,燕尾形导轨,磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。,圆形导轨,制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。,9/17/2024,57,2部,导轨副的组合形式,双三角形导轨组合,矩形和矩形组合,三角形和矩形组合,三角形和平面导轨组合,燕尾形导轨及其组合,9/17/2024,58,2部,（,2,）常见导轨副组合与间隙调整、特点,特点：,两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高，但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。,1,）,双三角形组合导轨组合,9/17/2024,59,2部,2,）,矩形与矩形导轨组合,特点：,承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用调整镶条保证，接触刚度较抵。闭式结构时，有辅助导向面，间隙由调整压板保证。在导轨副同样热变形条件下，,L1,越大，导向间隙要求越大。,9/17/2024,60,2部,3,）三角形导轨与矩形或平面导轨组合,特点：,兼有三角形导轨导向精度好、矩形导轨制造方便、刚性好的优点，可避免热变形产生的配合间隙变化；但是，存在两导轨导向平面磨损不均并使导轨产生位置变化；另外，两导轨的摩擦阻力不同，因而布置驱动力时，驱动力应与两摩擦阻力的和力同向为宜。当采用闭式压板结构时，可承受颠覆力矩,。,9/17/2024,61,2部,4,）,燕尾形导轨与矩形导轨组合,特点：,整体式燕尾导轨导向精度高，调整方便，承载能力强，制造困难；装配式导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕尾导轨相比较弱；燕尾导轨与矩形导轨相比，兼有调整方便，承载能力较强等。,9/17/2024,62,2部,导轨副间隙的调整,-,压板和镶条法,导轨副的材料,-,铸铁、钢、非铁金属、塑料,提高导轨副耐磨性的措施,-,1,镶装导轨,2,提高导轨的精度与改善表面粗糙度,3,减小导轨单位面积上的压力,(,即压强,),9/17/2024,63,2部,直线运动滚动导轨副,特点：,摩擦系数小,(0.0030.005),，运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；可以预紧,刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。,缺点：,导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大； 对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度； 结构复杂，制造困难，成本较高； 对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。,9/17/2024,64,2部,对该动导轨副的基本要求,1),导向精度。导向精度是导轨副最基本的性朗指标。移动件在沿导轨运动时，不论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。这是保证机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度，垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。,2),耐磨性。导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。,3),刚度。为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型，尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。,4),工艺性。导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。,9/17/2024,65,2部,9/17/2024,66,2部,（二）滚动直线导轨副的分类,1,、按滚动体的形状分：滚珠、滚拄、滚针,1,）,-,动导轨,2,）,-,滚珠,3,）,-,定导轨,4,）,-,滚拄,5,）,-,滚针,9/17/2024,67,2部,1,、按滚动体的形状分：,9/17/2024,68,2部,2,、按导轨截面形状分：,矩形：各方向,受力相等；,梯形：,误差调节强，,垂直受力大；,9/17/2024,69,2部,3,、按滚道沟槽形状分：,单圆弧：运动摩擦小、,对安装基准的误差平均,作用小；,双圆弧：静刚度大,9/17/2024,70,2部,三角,-,平面滚珠导轨、双三角滚珠导轨,9/17/2024,71,2部,双三角交叉滚柱导轨、,滚动导轨副,1-,调整螺钉,2-,定导轨,3-,滚柱,9/17/2024,72,2部,滚动导轨块,9/17/2024,73,2部,滚动导轨副,1-,定导轨,2-,机身,3-,运动件,4-,动导轨,5-,调整螺钉,6-,塞块,7-,偏心调整销轴,9/17/2024,74,2部,滚珠轴承导轨,1-,承导件,2-,偏心轴,3-,滚珠轴承,4-,轴承支架,5-,摆杆,6-,轴承,7-,小轴,8-,左轴承,9-,工作台,10-,弹簧,11-,螺钉,9/17/2024,75,2部,滚动轴承及其偏心轴机构,9/17/2024,76,2部,滚动导套副,9/17/2024,77,2部,（三）滚动直线导轨副的计算,9/17/2024,78,2部,1,、额定动载荷,Ca,：额定行程长度寿命,Ts=50km,时，作用在滑座上大小和方向均不变的载荷,Ca,：额定动载荷（,N,）,d,b:,钢珠直径（,mm,）,ls,:,滑座有效长度（,mm,）,Z,：有效接触的钢球数,9/17/2024,79,2部,2,、额定静载荷,Coa,:,Ko,：适应比系数；表,2-14;R:,圆弧滚道半径（,mm),：钢球循环列数,：,接触角,：倾斜角,0,9/17/2024,80,2部,3,、额定行程长度寿命,Ts,（,km),K,：寿命系数，一般取,K=50km,；,F,：滑座工作载荷（,N,）；,f,H,：硬度系数；,f,T,：温度系数；,fc,：,接触系数；,f,w,：负荷系数,表,2-18,9/17/2024,81,2部,负荷系数,额定工作时间寿命,T,h,（,h):,Ls:,工作单行程长度（,m);,n:,每妙往返次数（次,/s,）,9/17/2024,82,2部,（四）,滚动直线导轨副的选择程序,9/17/2024,83,2部,（五）滚动直线导轨副的其他形式,9/17/2024,84,2部,（五）滚动直线导轨副的其他形式,9/17/2024,85,2部,